انبساط شتاب‌دار جهان معمولاً به نیرویی نادیدنی به نام انرژی تاریک نسبت داده می‌شود. پژوهشی تازه این احتمال را مطرح می‌کند که با درک عمیق‌تری از گرانش و هندسه فضاـزمان، می‌توان این رفتار را بدون توسل به چنین مفهوم رازآلودی توضیح داد.

شتاب‌گیری سریع انبساط جهان همچنان یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل در فهم ما از فیزیک بنیادین به شمار می‌رود. اینکه چرا جهان با سرعتی فزاینده در حال انبساط است، یکی از جذاب‌ترین پرسش‌های بی‌پاسخ در فیزیک مدرن محسوب می‌شود. نظریه‌های کنونی قادر نیستند این پدیده را صرفاً بر پایه تصویر موجود از جهان فیزیکی توضیح دهند؛ تصویری که ترکیبی از نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین و مدل استاندارد فیزیک ذرات است.

برای پر کردن این خلأ، دانشمندان وجود نیرویی اسرارآمیز با نام انرژی تاریک را پیشنهاد کرده‌اند که گمان می‌رود عامل اصلی انبساط شتاب‌دار جهان باشد. با این حال، منشأ این انرژی تاریک همچنان ناشناخته باقی مانده است. اکنون یک تیم پژوهشی بین‌المللی از مرکز فناوری فضایی کاربردی و ریزگرانش (ZARM) در دانشگاه برمن و دانشگاه ترانسیلوانیا براشوف در رومانی، رویکردی متفاوت برای اندیشیدن به این مسئله ارائه داده‌اند. یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد که انبساط کیهانی می‌تواند دست‌کم تا حدی، بدون در نظر گرفتن انرژی تاریک توضیح داده شود.

تکامل جهان در مقیاس‌های بزرگ معمولاً با استفاده از نسبیت عام و معادلات فریدمن توصیف می‌شود. با این حال، در چارچوب این مدل، توضیح شتاب مشاهده‌شده مستلزم آن است که پژوهشگران به‌صورت دستی یک جمله اضافی موسوم به جمله انرژی تاریک را به معادلات وارد کنند.

از آنجا که این راه‌حل به‌طور گسترده‌ای ناکافی تلقی می‌شود، پژوهشگران ZARM به همراه همکاران رومانیایی خود مسیر جایگزینی را بررسی کرده‌اند. نتایج آن‌ها که در مجله Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، بر گسترشی از نسبیت عام با عنوان گرانش فینسلر استوار است.

در مقایسه با صورت‌بندی سنتی نسبیت عام، این رویکرد توصیفی عمومی‌تر از فضاـزمان ارائه می‌دهد و امکان مدل‌سازی دقیق‌تر اثرات گرانشی گازها را نسبت به نسبیت عام استاندارد فراهم می‌کند.

زمانی که تیم پژوهشی بسط فینسلری معادلات فریدمن را محاسبه کرد، به کشفی قابل توجه دست یافت: معادلات فینسلر–فریدمن به‌طور ذاتی انبساط شتاب‌دار جهان را حتی در خلأ پیش‌بینی می‌کنند، بدون آنکه نیازی به فرضیات اضافی یا وارد کردن جملات مربوط به انرژی تاریک باشد.

کریستیان فایفر، فیزیک‌دان ZARM و عضو این تیم پژوهشی، توضیح می‌دهد که این نتیجه نشانه‌ای هیجان‌انگیز است مبنی بر اینکه شاید بتوان انبساط شتاب‌دار جهان را، دست‌کم در برخی جنبه‌ها، بدون انرژی تاریک و بر پایه هندسه‌ای تعمیم‌یافته از فضاـزمان توضیح داد. به گفته او، این دیدگاه هندسی تازه درباره مسئله انرژی تاریک، افق‌های جدیدی برای درک بهتر قوانین طبیعت در مقیاس کیهانی می‌گشاید.

خورشید بزرگ‌ترین جرم منظومه‌ی شمسی است و قطری در حدود ۱٫۴ میلیون کیلومتر دارد؛ رقمی که بیش از ۱۰۰ برابر قطر زمین است. با وجود این اندازه عظیم، ستاره ما اغلب در دسته «کوتوله‌ها» قرار می‌گیرد. این موضوع پرسش مهمی را مطرح می‌کند: چرا خورشید با چنین ابعاد و درخششی، همچنان به‌عنوان یک ستاره کوتوله شناخته می‌شود؟

از نظر علمی، خورشید در رده ستاره‌های رشته اصلی با نوع طیفی G2V قرار می‌گیرد. حرف «V» در این دسته‌بندی نشان‌دهنده جایگاه آن در گروه ستاره‌های کوتوله است. تونی وانگ (Tony Wong)، استاد اخترشناسی دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین، توضیح می‌دهد که این نام‌گذاری ریشه در کارهای اخترشناس دانمارکی اینار هرتسپرونگ (Ejnar Hertzsprung) در اوایل قرن بیستم دارد. هرتسپرونگ متوجه شد که ستاره‌های سرخ یا درخشندگی بسیار بالایی دارند یا بسیار کم‌نور هستند. او برای تمایز این دو گروه، ستاره‌های پرنور را «غول» و ستاره‌های کم‌نور را «کوتوله» نامید. خورشید به دلیل شباهت بیشتر به دسته دوم، در گروه کوتوله‌ها جای گرفت.

حرف «G» در این رده‌بندی به رنگ زرد ستاره اشاره دارد؛ یعنی دمای سطحی آن در محدوده ۵۱۲۵ تا ۵۷۲۵ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد. لوکاس جولیانو (Lucas Guliano)، اخترشناس مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونین، توضیح می‌دهد که خورشید با دمای تقریبی ۵۵۲۵ درجه سلسیوس دقیقاً در این بازه جای می‌گیرد. با این حال، رنگ واقعی خورشید سفید است، زیرا تمام طول موج‌های نور مرئی را منتشر می‌کند. آنچه ما از سطح زمین به رنگ زرد می‌بینیم، نتیجه پراکندگی نور در جو زمین است و نه رنگ ذاتی خورشید.

خورشید همانند دیگر ستاره‌های رشته اصلی، انرژی خود را از طریق فرایند همجوشی هسته‌ای تأمین می‌کند. در این واکنش‌ها، هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شود و انرژی عظیمی آزاد می‌گردد که منبع نور و گرمای خورشید است. رنگ ستاره‌ها در این دسته‌بندی به جرم آن‌ها وابسته است؛ ستاره‌های کم‌جرم‌تر به رنگ نارنجی یا قرمز و ستاره‌های پرجرم‌تر به رنگ آبی مشاهده می‌شوند. کارلس بادنس (Carles Badenes)، استاد فیزیک و اخترشناسی دانشگاه پیتسبورگ، اشاره می‌کند که خورشید در میانه این طیف قرار دارد و به همین دلیل در گروه زرد طبقه‌بندی شده است.

خورشید از آغاز عمر خود تاکنون حدود ۱۰ درصد بزرگ‌تر شده و روند رشد آن همچنان ادامه دارد. با این وجود، تا زمانی که سوخت هیدروژن در هسته‌اش باقی بماند، در دسته ستاره‌های کوتوله قرار خواهد داشت. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که در حدود ۵ میلیارد سال آینده، خورشید ذخایر هیدروژن خود را مصرف کرده و وارد مرحله غول سرخ می‌شود. در این مرحله، خورشید به‌قدری متورم خواهد شد که مدار سیاره زهره و احتمالاً زمین را در بر می‌گیرد، همچنین سطح آن نیز سردتر شده و به رنگ قرمز درمی‌آید.

این تغییرات نشان می‌دهد که اصطلاح «کوتوله» برای خورشید به معنای کوچک بودن یا کم‌اهمیت بودن نیست، بلکه صرفاً جایگاه آن را در نظام رده‌بندی ستاره‌ها مشخص می‌کند. خورشید با وجود عظمت و نقش حیاتی‌اش در منظومه شمسی، تا پایان عمر خود در دسته ستاره‌های کوتوله باقی خواهد ماند و تنها در مرحله پایانی، با تبدیل شدن به یک غول سرخ، چهره‌ای کاملاً متفاوت به خود خواهد گرفت.

نزدیک به یک قرن است که دانشمندان در تلاش‌اند مدرکی مستقیم از وجود مادهٔ تاریک پیدا کنند. ماده تاریک یکی از حلقه‌های مفقودهٔ اساسی در درک نظری ما از جهان هستی به شمار می‌رود. در حالی که با روش‌هایی همچون همگرایی گرانشی، تنها اثرات مادهٔ تاریک را مشاهده کرده‌ایم، یک پژوهش تازه ادعا می‌کند داده‌های تلسکوپ فضایی فرمی نشانه‌هایی از انتشار پرتوهای گاما نشان می‌دهد که شباهتی بسیار نزدیک به تابش پیش‌بینی‌شده از برخورد و نابودی دو ذرهٔ سنگین با برهم‌کنش ضعیف (با نام ویمپ، WIMP، مطرح‌ترین نامزد مادهٔ تاریک) دارند. اگر این نتیجه درست باشد، این نخستین‌بار خواهد بود که ما مادهٔ تاریک را در حال کنش مشاهده می‌کنیم؛ هرچند این یافته همچنان باید به‌طور مستقل توسط دیگر اخترفیزیک‌دانان و همچنین با داده‌هایی فراتر از مرکز کهکشان راه شیری تأیید شود.

در اوایل دههٔ ۱۹۳۰، اخترشناس سوئیسی-آمریکایی فریتس زویکی با مشکلی جدی روبه‌رو شد. او هنگام رصد کهکشان‌های خوشهٔ کُما نتیجه گرفت که سرعت حرکت آن‌ها آن‌قدر زیاد است که باید از خوشه خود به بیرون پرتاب شوند؛ اما چنین نمی‌شد و به‌نظر می‌رسید نیرویی نامرئی آن‌ها را در کنار هم نگاه می‌دارد. زویکی در سال ۱۹۳۳ فرضیه‌ای مطرح کرد مبنی بر اینکه باید گونه‌ای مادهٔ فراگیر در جهان وجود داشته باشد که ساختار کیهانی را پایدار نگه می‌دارد؛ او این ماده را مادهٔ تاریک نامید.
در دهه‌های بعد، مادهٔ تاریک به نوعی توضیح استاندارد برای ناسازگاری میان نتایج نظری و مشاهدات تجربی تبدیل شد. اگرچه روش‌هایی همچون همگرایی گرانشی شواهد غیرمستقیمی از وجود مادهٔ تاریک ثبت کرده‌اند، اما هیچ‌کس هرگز ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف، یعنی همان ویمپ‌ها که اصلی‌ترین نامزد تشکیل‌دهندهٔ مادهٔ تاریک هستند، را به شکل مستقیم مشاهده نکرده است. برخی فیزیک‌دانان از این عدم مشاهده آن‌قدر ناامید شده‌اند که به دنبال توضیح‌های دیگری رفته‌اند؛ از بازنگری نقش اطلاعات در ساختار جهان گرفته تا جست‌وجو در نظریه‌هایی همچون دینامیک نیوتنی تعدیل‌شده.

اما یک پژوهش تازه که در مجلهٔ Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، امیدوار است این نگرانی‌ها را پایان دهد. این پژوهش به سرپرستی تومونوری تاتانی از دانشگاه اوساکا در ژاپن انجام شده و ادعا می‌کند مشاهدهٔ مستقیم فوتون‌های خاص پرتو گاما را گزارش می‌دهد که مطابق فرضیات موجود نتیجهٔ برخورد و نابودی دو ویمپ هستند. تاتانی این ساختارهای هاله‌مانند را با تحلیل داده‌های تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی به دست آورده است؛ تلسکوپی که در سال ۲۰۰۸ برای مطالعهٔ جهان پرانرژی به فضا فرستاده شد و ناگزیر به مرکز راه شیری نشانه رفت؛ جایی که بخش بزرگی از فیزیک پرانرژی رخ می‌دهد.

طی سال‌ها فعالیت، این تلسکوپ کشفیات بسیاری انجام داده است؛ از جمله حباب‌های عظیم پرتو گاما که اکنون با نام حباب‌های فرمی شناخته می‌شوند. اگر مشاهدات تاتانی توسط دیگر اخترفیزیک‌دانان تأیید شود، این تلسکوپ رکورد خارق‌العادهٔ دیگری را به کارنامهٔ خود در کاوش فضا اضافه خواهد کرد.

تاتانی در یک بیانیهٔ خبری اعلام کرد که پرتوهای گامایی با انرژی فوتون ۲۰ گیگاالکترون‌ولت (معادل ۲۰ میلیارد الکترون‌ولت که مقداری بسیار عظیم از انرژی است) در ساختاری هاله‌مانند رو به مرکز کهکشان راه شیری شناسایی شده است و این الگوی تابشی تطابق بسیار نزدیکی با شکلی دارد که انتظار می‌رود از هالهٔ مادهٔ تاریک سرچشمه بگیرد.

نقشهٔ شدت پرتو گاما، پس از حذف مؤلفه‌های غیرهاله‌ای، منطقه‌ای حدود ۱۰۰ درجه رو به مرکز کهکشانی را پوشش می‌دهد. نوار افقی خاکستری در بخش مرکزی نشان‌دهندهٔ صفحهٔ کهکشان است که برای جلوگیری از تابش‌های اخترفیزیکی بسیار قوی از تحلیل کنار گذاشته شد.

طیف‌های انرژی مشاهده‌شده در این داده‌ها حاکی از نابودی ویمپ‌هایی با جرمی حدود ۵۰۰ برابر جرم یک پروتون هستند؛ مقداری که در محدودهٔ پیش‌بینی‌های نظری قرار دارد. تاتانی تأکید می‌کند که این انتشار پرتو گاما را نمی‌توان به سادگی به رویدادهای رایج اخترشناختی نسبت داد و این امر استدلال او را مبنی بر مشاهدهٔ واقعی مادهٔ تاریک تقویت می‌کند.
او در بیانیهٔ خبری خود افزود که اگر این نتیجه درست باشد، تا جایی که او می‌داند، این نخستین‌بار خواهد بود که انسان مادهٔ تاریک را می‌بیند. همچنین این امر نشان می‌دهد مادهٔ تاریک ذره‌ای جدید است که در مدل استاندارد کنونی فیزیک ذرات وجود ندارد؛ و این موضوع پیشرفتی بزرگ در اخترشناسی و فیزیک به شمار می‌رود.

البته که ادعاهای خارق‌العاده نیازمند شواهد خارق‌العاده و تأییدهای سخت‌گیرانه هستند. حتی اگر نتایج تاتانی از این آزمون دشوار سربلند بیرون بیاید، دانشمندان به نمونه‌های بیشتری از این پدیده در دیگر مناطق جهان نیاز خواهند داشت و در پی جست‌وجوی انتشارهای مشابه پرتو گاما از منابعی مانند کهکشان‌های کوتولهٔ موجود در هالهٔ راه شیری برخواهند آمد. بخشی از این داده‌ها شاید از خود فرمی به دست آید یا از رصدخانهٔ آیندهٔ Cherenkov Telescope Array که پدیده‌های کیهانی را با مطالعهٔ پرتوهای گامایی که با جو زمین برخورد می‌کنند بررسی خواهد کرد.